申请日2018.03.13
公开(公告)日2018.06.29
IPC分类号C02F3/30; C02F11/02; C02F101/16; C02F101/10
摘要
FNA强化污泥发酵及实现污水短程脱氮除磷的装置与方法，属于污水污泥处理领域。该装置包括：原水箱、SBR反应器、中间水箱、UASB反应器、污泥处理反应器、污泥发酵罐。该方法将游离亚硝酸(FNA)抑制亚硝酸盐氧化菌实现短程硝化与作为污泥发酵预处理步骤促进水解酸化两者相结合，短程硝化反应器排泥经FNA处理后一部分返回，另一部分进入污泥发酵罐。SBR反应器先缺氧反硝化去除上周期多余亚硝，再厌氧释磷，好氧吸磷并发生部分短程硝化，出水同污泥发酵液一起进入UASB，部分氨氮与亚硝通过厌氧氨氧化菌自养脱氮，剩余亚硝和产生的硝态氮利用污泥发酵液中有机物反硝化去除。本发明利用FNA促进内碳源开发并实现城市污水脱氮除磷，且污泥减量，降低污水处理能耗。
权利要求书
1.FNA强化污泥发酵及实现污水短程脱氮除磷的装置，其特征在于：设有原水箱(1)、SBR反应器(2)、中间水箱(3)、UASB反应器(4)、污泥处理反应器(5)、污泥发酵罐(6);原水箱(1)通过原水进水泵(1.1)向SBR反应器(2)供水，SBR反应器(2)设有第一温控装置(2.1)、第一搅拌装置(2.2)、第一pH测定仪(2.6)、DO测定仪(2.7)，通过设有气体流量计(2.3)、空气阀(2.4)、空气压缩机(2.5)、曝气头(2.9)的曝气装置进行充氧，通过排水阀(2.8)出水进入中间水箱(3)，通过排泥阀Ⅰ(2.10)、排泥泵(2.11)将剩余污泥排到污泥处理反应器(5);中间水箱(3)通过硝化液进水泵(3.1)和硝化液进水阀(3.2)与UASB反应器(4)相连接;UASB反应器(4)设置有集气装置(4.1)、出水管(4.2)、三相分离器(4.3)、加热带装置(4.4)、布水装置(4.5)、内循环泵(4.6)、内循环阀(4.7);污泥处理反应器(5)设置有加药管(5.1)、第二搅拌装置(5.2)，通过排泥阀Ⅱ(5.3)与排泥阀Ⅲ(5.4)与污泥发酵罐(6)相连接，通过回流污泥阀(5.5)与回流污泥泵(5.6)将处理过的污泥 回流到SBR反应器(2);污泥发酵罐(6)设置有第二温控装置(6.1)、第三搅拌装置(6.2)、第二pH测定仪(6.3)，通过进泥泵(6.4)与进泥阀(6.5)将发酵污泥泵入UASB反应器(4)。
2.应用权利要求1所述装置进行FNA强化污泥发酵及实现污水短程脱氮除磷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)装置启动操作如下：
1.1)SBR反应器的启动：以实际城市污水处理厂的全程硝化污泥为接种污泥注入SBR反应器(2)，控制污泥浓度为2500-4000mg/L，水力停留时间为6-8h，排水比为40%～60%，控制溶解氧为0.8～1.5mg/L，通过排放剩余污泥控制污泥龄为15～20d，剩余污泥进入污泥处理反应器(5)，利用游离亚硝酸(FNA)对亚硝酸盐氧化菌的抑制远大于对氨氧化菌的抑制来实现短程硝化，当出水亚硝酸盐累积率大于95%且持续维持15天以上时，SBR短程硝化得以实现;根据pH变化曲线，在氨氮完全反应完之前停止曝气，实现部分短程硝化，使出水亚硝/氨氮在1.3～1.5之间，部分短程硝化稳定实现;
1.2)污泥发酵罐的启动：污泥发酵罐(6)为半连续反应器，接种污泥为城市污水处理厂二沉池排泥，污泥停留时间SRT在10～20天，控制pH在9～10，污泥处理反应器(5)中经FNA预处理的剩余污泥排入污泥发酵罐(6)，根据SRT将发酵污泥通过进泥泵(6.4)和进泥阀(6.5)泵入UASB反应器(4);
1.3)UASB反应器的启动：接种污泥为城市污水厌氧氨氧化反应器污泥与二沉池排泥混合物，体积比为5:1～10:1，以保证厌氧氨氧化菌的优势地位;水力停留时间3-5h，污泥停留时间10-20d，进水采用NH4+-N/NO2--N浓度比为1：1.3的人工配水，起始TN浓度为20mg/L并以20mg/L的梯度逐步增大氮负荷直到60mg/L，每次增大氮负荷的时间点是自养脱氮率超过95%且持续维持15天以上，最后完成对厌氧氨氧化驯化处理;进水采用NH4+-N/NO2--N质量浓度比为1：1.3且TN为60mg/L的人工配水，同时投加乙酸钠作为反硝化碳源使SCOD浓度为100-150mg/L，当TN去除率高于90%且持续维持15天以上时，厌氧氨氧化和反硝化的耦合成功实现;以污泥发酵混合物取代乙酸钠作为反硝化的碳源使SCOD浓度继续维持在100-150mg/L，当TN去除率高于90%且持续维持15天以上时，实现厌氧氨氧化与反硝化的耦合;
2)运行调节时操作如下：生活污水与经FNA处理的剩余污泥一同进入SBR反应器(2)，SBR反应器(2)先进行缺氧搅拌1～1.5h，再启动空气压缩机(2.10)，调节空气阀(2.9)和气体流量计(2.8)进行曝气，控制溶解氧为0.8～1.5mg/L，SBR反应器(2)进行部分短程硝化反应，部分氨氮转化为亚硝态氮，根据实时控制pH变化曲线确定曝气时间，使出水氨氮在8～12mg/L，亚硝在10～15mg/L;SBR反应器出水进入中间水箱(3)，所排剩余污泥至污泥处理反应器(5)，通过向污泥处理反应器(5)投加亚硝酸钠，使其内亚硝酸盐浓度为300～1000mg/L，并通过投加酸或碱来控制pH为5.5～6.0，污泥处理时间为12～24h;处理完的污泥30～40%回流到SBR反应器(2)，60～70%进入污泥发酵罐(6);污泥发酵混合物与硝化出水一同从UASB反应器(4)底部泵入，UASB反应器温度控制在28～32℃，水力停留时间3～5h，处理后出水通过出水管排出。
说明书
FNA强化污泥发酵及实现污水短程脱氮除磷的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种FNA强化污泥发酵及实现污水短程脱氮除磷的装置与方法，属于污水生物处理技术领域。该发明创新性的将游离亚硝酸(FNA)抑制亚硝酸盐氧化菌实现短程硝化与作为污泥发酵预处理步骤促进水解酸化两者相结合，在实现短程硝化生物脱氮除磷的同时强化污泥内碳源开发，为城市生活污水污泥的处理处置提供了一条新思路。
背景技术
目前我国城市污水处理厂大都采用传统硝化反硝化生物脱氮工艺实现污水中氮的达标排放。传统生物脱氮工艺中氨氧化菌(AOB)以氧作为电子受体，将NH4+氧化为NO2-，随后亚硝酸盐氧化菌(NOB)以氧作为电子受体，将NO2-氧化为NO3-，最后反硝化菌以有机物作为电子供体，将NO3-还原为N2，最终达到将氮从污水脱除的目的。厌氧氨氧化菌的发现使污水自养脱氮成为可能，厌氧氨氧化菌利用NO2-作为电子受体氧化NH4+生成N2，该过程以无机碳作为碳源，不需要有机物作为碳源，从而达到自养生物脱氮的目的。而厌氧氨氧化生物技术应用于城市污水脱氮处理的关键就是底物NO2-的稳定获取。
短程硝化技术是氨氧化细菌将NH4+氧化为NO2-，可为厌氧氨氧化提供底物NO2-。目前稳定实现城市污水短程硝化的技术比较少，因此稳定实现城市污水短程硝化是限制城市污水厌氧氨氧化自养脱氮的瓶颈。近期研究发现缺氧条件下游离亚硝酸(FNA)对NOB的抑制作用大于对AOB的抑制，有利于实现短程硝化。
基于活性污泥法的生物脱氮工艺已广泛应用于城市污水处理领域，但污水中大量的有机物质转移到污泥中导致污泥产量增加，加重污水处理厂的投资和运行负担。此外，城市污水低碳氮比的特点导致其生物脱氮过程中必需投加外碳源，这就造成污水处理厂的运行费用大大增加。因此，实现剩余污泥的减量化和资源化以及开发污泥内碳源，已成为城市污水处理的难点和重点。污泥发酵可以实现污泥中有机质转化为挥发性脂肪酸(VFAs)，而后作为生物脱氮过程中微生物可利用的优势碳源。然而，污泥解体通常被认为是剩余污泥发酵过程中的限速步骤。污泥发酵一般借助热解，物理(超声)，电和化学的污泥预处理技术使得微生物细胞破壁。但是，上述技术存在能耗大(高温或高压)，需要大量化学物质(氯，臭氧和碱度等)和污染环境等问题。因此，寻找一种污泥预处理技术来提高生物可降解性尤为重要。相关文献采用FNA对剩余污泥进行预处理，因剩余污泥中的微生物被灭活而促进污泥解体，改善剩余污泥发酵特性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是将游离亚硝酸(FNA)抑制亚硝酸盐氧化菌实现短程硝化与作为污泥发酵预处理步骤促进水解酸化两者相结合，在实现短程硝化生物脱氮除磷的同时强化污泥内碳源开发。短程硝化反应器排泥经FNA处理后一部分返回，另一部分进入污泥发酵罐。SBR反应器先缺氧反硝化去除上周期多余亚硝，再厌氧释磷，好氧吸磷并发生部分短程硝化，出水同污泥发酵液一起进入UASB反应器，部分氨氮与亚硝通过厌氧氨氧化菌自养脱氮，剩余亚硝和产生的硝态氮利用污泥发酵液中有机物反硝化去除，从而实现生活污水的深度脱氮除磷。
为实现上述目的，本发明提供一种FNA强化污泥发酵及实现污水短程脱氮除磷的装置，包括：原水箱(1)、SBR反应器(2)、中间水箱(3)、UASB反应器(4)、污泥处理反应器(5)、污泥发酵罐(6);原水箱(1)通过原水进水泵(1.1)向SBR反应器(2)供水，SBR反应器(2)设有第一温控装置(2.1)、第一搅拌装置(2.2)、第一pH测定仪(2.6)、DO测定仪(2.7)，通过设有气体流量计(2.3)、空气阀(2.4)、空气压缩机(2.5)、曝气头(2.9)的曝气装置进行充氧，通过排水阀(2.8)出水进入中间水箱(3)，通过排泥阀Ⅰ(2.10)、排泥泵(2.11)将剩余污泥排到污泥处理反应器(5);中间水箱(3)通过硝化液进水泵(3.1)和硝化液进水阀(3.2)与UASB反应器(4)相连接;UASB反应器(4)设置有集气装置(4.1)、出水管(4.2)、三相分离器(4.3)、加热带装置(4.4)、布水装置(4.5)、内循环泵(4.6)、内循环阀(4.7);污泥处理反应器(5)设置有加药管(5.1)、第二搅拌装置(5.2)，通过排泥阀Ⅱ(5.3)与排泥阀Ⅲ(5.4)与污泥发酵罐(6)相连接，通过回流污泥阀(5.5)与回流污泥泵(5.6)将处理过的污泥回流到SBR反应器(2);污泥发酵罐(6)设置有第二温控装置(6.1)、第三搅拌装置(6.2)、第二pH测定仪(6.3)，通过进泥泵(6.4)与进泥阀(6.5)将发酵污泥泵入UASB反应器(4)。
本发明同时提供一种FNA强化污泥发酵及实现污水短程脱氮除磷的方法，包括以下步骤：
装置启动操作如下：
SBR反应器的启动：以实际城市污水处理厂的全程硝化污泥为接种污泥注入SBR反应器(2)，控制污泥浓度为2500-4000mg/L，水力停留时间为6-8h，排水比为40%～60%，控制溶解氧为0.8～1.5mg/L，通过排放剩余污泥控制污泥龄为15～20d，剩余污泥进入污泥处理反应器(5)，利用游离亚硝酸(FNA)对亚硝酸盐氧化菌的抑制远大于对氨氧化菌的抑制来实现短程硝化，当出水亚硝酸盐累积率大于95%且持续维持15天以上时，SBR短程硝化得以实现。根据pH变化曲线，在氨氮完全反应完之前停止曝气，实现部分短程硝化，使出水亚硝/氨氮浓度比在1.3～1.5之间，部分短程硝化稳定实现。
污泥发酵罐的启动：污泥发酵罐(6)为半连续反应器，接种污泥为城市污水处理厂二沉池排泥，污泥停留时间SRT在10～20天，控制pH在9～10，污泥处理反应器(5)中经FNA预处理的剩余污泥排入污泥发酵罐(6)，根据SRT将发酵污泥通过进泥泵(6.4)和进泥阀(6.5)泵入UASB反应器(4)。
UASB反应器的启动：接种污泥为城市污水厌氧氨氧化反应器污泥与二沉池排泥混合物，体积比例为5:1～10:1，以保证厌氧氨氧化菌的优势地位。水力停留时间3-5h，污泥停留时间10-20d，进水采用NH4+-N/NO2--N浓度比为1：1.3的人工配水，起始TN浓度为20mg/L并以20mg/L的梯度逐步增大氮负荷直到60mg/L，每次增大氮负荷的时间点是自养脱氮率超过95%且持续维持15天以上，最后完成对厌氧氨氧化驯化处理;进水采用NH4+-N/NO2--N浓度比为1：1.3且TN为60mg/L的人工配水，同时投加乙酸钠作为反硝化碳源使SCOD浓度为100-150mg/L，当TN去除率高于90%且持续维持15天以上时，厌氧氨氧化和反硝化的耦合成功实现;以污泥发酵混合物取代乙酸钠作为反硝化的碳源使SCOD浓度继续维持在100-150mg/L，当TN去除率高于90%且持续维持15天以上时，实现厌氧氨氧化与反硝化的耦合。
运行调节时操作如下：
生活污水与经FNA处理的剩余污泥一同进入SBR反应器(2)，SBR反应器(2)先进行缺氧搅拌1～1.5h，再启动空气压缩机(2.10)，调节空气阀(2.9)和气体流量计(2.8)进行曝气，控制溶解氧为0.8～1.5mg/L，SBR反应器(2)进行部分短程硝化反应，部分氨氮转化为亚硝态氮，根据实时控制pH变化曲线确定曝气时间，使出水氨氮在8～12mg/L，亚硝在10～15mg/L。SBR反应器出水进入中间水箱(3)，所排剩余污泥至污泥处理反应器(5)，通过向污泥处理反应器(5)投加亚硝酸钠，使其内亚硝酸盐浓度为300～1000mg/L，并通过投加酸或碱来控制pH为5.5～6.0，污泥处理时间为12～24h。处理完的污泥30～40%回流到SBR反应器(2)，60～70%进入污泥发酵罐(6)。污泥发酵混合物与硝化出水一同从UASB反应器(4)底部泵入，UASB反应器温度控制在28～32℃，水力停留时间3～5h，处理后出水通过出水管排出。
本发明的技术原理如下：
本发明创新性的将游离亚硝酸(FNA)抑制亚硝酸盐氧化菌实现短程硝化与作为污泥发酵预处理步骤促进水解酸化两者相结合，在实现短程硝化生物脱氮除磷的同时强化污泥内碳源开发。短程硝化反应器排泥经FNA处理后一部分返回，另一部分进入污泥发酵罐。SBR反应器先缺氧反硝化去除上周期多余亚硝，再厌氧释磷，好氧吸磷并发生部分短程硝化，出水同污泥发酵液一起进入UASB反应器，部分氨氮与亚硝通过厌氧氨氧化菌自养脱氮，剩余亚硝和产生的硝态氮利用污泥发酵液中有机物反硝化去除，从而实现生活污水的深度脱氮除磷。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
将剩余污泥进行游离亚硝酸(FNA)处理，不仅实现了短程硝化，而且作为污泥发酵预处理步骤，促进污泥裂解强化内碳源开发。
本发明在不投加外碳源的基础上能够实现生活污水的深度脱氮除磷，厌氧氨氧化产物硝态氮可以通过反硝化去除，两者相互配合，装置菌群结构复杂，耐冲击能力强。
本发明将剩余污泥进行发酵处理作为反硝化碳源，减少了污泥产量，降低了污水处理厂污泥处置费用，节约运行成本。